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Fosforilazione Ossidativa: La Terza ed Ultima Fase della respirazione cellulare avviene sulla membrana interna dei mitocondri, caratterizzata dalla presenza di proteine di trasporto che permettono lo scambio tra esterno ed interno. La membrana mitocondriale interna è infatti impermeabile e molto estesa con vari ripiegamenti su se stessa. Questa delimita lo spazio interno che contiene la matrice mitocondriale. Il fatto che la membrana interna sia ripiegata e formi innumerevoli creste permette che questa abbia una grande estensione e dunque ci sia più spazio per la Fosforilazione Ossidativa. All'esterno è presente uno spazio intermembrana situato tra la membrana interna e quella esterna che invece è permeabile.
Nella Catena di trasporto degli elettroni o Catena respiratoria gli elettroni provenienti dai coenzimi NADH e FADH₂ vengono trasportati da una serie di Proteine di Trasporto fino ad arrivare all'Ossigeno. I Trasportatori di Elettroni sono:

Quattro grandi complessi proteici tre dei quali sono Proteine intermebrana cioè che sporgono da entrambe le parti della membrana interna. Ciascun complesso contiene centri Redox formati da Atomi di Ferro come i Citocromi oppure da Proteine Ferro-Zolfo. Entrambi grazie al Ferro posso ossidarsi e ridursi: Fe³⁺ → Fe²⁺ e viceversa.
Coenzima Q (Q) che è una piccola molecola apolare in grado di accettare e cedere elettroni situata nel doppio strato idrofobico della membrana interna del mitocondrio.
Citocromo (C) è una piccola proteina esterna alla membrana ma situata nello spazio intermembrana e fissata ad essa.
La Catena di trasporto degli elettroni è simile ad una cascata in fondo alla quale si trova l'Ossigeno che è l'accettore finale degli elettroni. Ciò che fa muovere gli elettroni tra i vari complessi è il fatto che ogni trasportatore abbia un'affinità maggiore per gli elettroni di quello precedente e dunque l'Ossigeno è quello che fra tutti ha la maggiore affinità. Infine è fondamentale il fatto che ad ogni passaggio si liberi una piccola quantità di Energia.

Mentre gli elettroni vengono prelevati dai Grandi complessi proteici si crea un flusso di Protoni H⁺ che dalla Matrice Mitocondriale li portà fuori nello Spazio Intermembrana attraverso i Complessi che dunque sono Pompe Protoniche.
A causa della carica positiva degli ioni H⁺ si verranno a creare una differenza di concentrazione tra l'interno e l'esterno ed anche una differenza di carica che renderà la Matrice più elettronegativa dello Spazio Intermembrana. Dunque l'unione della differenza di concentrazione protonica e di carica generano un'energia potenziale detta Forza protonomotrice che tende a far ritornare H⁺ all'interno, non riuscendoci però perchè la Membrana Interna è impermeabile.

A questo punto interviene la Proteina ATP Sintetasi che svolge contemporaneamente due funzioni: essa ha la capacità di far entrare gli ioni H⁺ nella Matrice che andranno poi ad accoppiarsi con gli elettroni e l'Ossigeno per formare Acqua; sfrutta la Forza Protonomotrice per sintetizzare ATP da ADP + Pᵢ.
L'accoppiamento del processo di trasporto degli elettroni e la sintesi dell'ATP è descritto nella Teoria della Chemiosmosi.

Teoria della Chemiosmosi comporta:
La Membrana Interna Mitocondriale deve essere intatta.
La Membrana Interna Mitocondriale è impermeabile agli ioni.
Il trasporto degli elettroni nella catena genera l'uscita degli ioni H⁺ dalla Matrice allo Spazio Intermembrana.
I composti che permettono la permeabilità degli ioni H⁺ attraverso la membrana non bloccano il trasporto di elettroni ma inibiscono la produzione di ATP.

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